JP2009177884A - ブラシ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子及びセグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子のどちらの場合であっても、整流子との間で良好な整流作用を生じさせることができるブラシを得る。
【解決手段】ブラシ１０は、一端部が整流子のセグメントに摺接される摺接側端面１０Ａとされている。摺接側端面１０Ａは、矢印Ｒ方向視にて、低抵抗部３６が円形状とされ、高抵抗部３５が円環状とされ、全体として円形状を成している。すなわち、低抵抗部３６は、その断面が円形状とされ、高抵抗部３５は、その断面が円環状とされ、摺接側端面１０Ａは、断面が円形状とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流子に摺接されるブラシ、及び該ブラシを備えた回転電機に関する。

特許文献１には、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子に摺接される多層構造のブラシが開示されている。このブラシでは、低抵抗部を高抵抗部で挟み、高抵抗部から整流子の特定のセグメントに対する接触が開始されると共に反対側の高抵抗部で特定のセグメントに対する接触が終了することにより、整流改善を行っている。

特許文献２には、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子にブラシを接触させて給電するモータが開示されている。
特開２００１−３５１７５８号公報 特開平９−７４７２１号公報

しかしながら、従来の構成では、整流の改善を行うにあたり、円筒状の整流子及び平面状の整流子のセグメント形状に応じて、ブラシ形状を設定するため、数多くの種類のブラシが存在してしまうという問題があった。

本発明は、上記事実を考慮して、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子及びセグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子のどちらの場合であっても、整流子との間で良好な整流作用を生じさせることができるブラシを得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係るブラシは、整流子のセグメントに摺接される接触端面を有する低抵抗部と、前記整流子のセグメントに摺接される接触端面を有し、前記低抵抗部の外周を囲むと共に前記低抵抗部よりも電気抵抗値が高い高抵抗部と、を備えたことを特徴とする。

請求項１記載のブラシでは、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子がその周方向へ回転する場合において、高抵抗部の接触端面の外縁から接触（摺接）を開始し、その外縁に対向する外縁へ低抵抗部を通る直線方向へ接触しながら、その対向する外縁で接触を終了することができる。
また、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子が、その放射方向と直交する方向を軸方向として回転する場合においても、請求項１記載のブラシは、高抵抗部の接触端面の外縁から接触を開始し、その外縁に対向する外縁へ低抵抗部を通る円弧方向へ接触しながら、その対向する外縁で接触を終了することができる。

このように、本ブラシでは、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子と、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子とのどちらの場合であっても、高抵抗部から接触開始し、高抵抗部で接触終了するため、特定のセグメントに対する接触開始時、終了時の接触抵抗が極めて高くなる。
このため、本ブラシでは、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子と、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子とのどちらの場合であっても、急激な電流変化が抑制されるので、安定した整流が果たされ、整流子との間で良好な整流作用を生じさせることができる。

請求項２記載の発明に係るブラシは、前記低抵抗部は、断面が円形状とされ、前記高抵抗部は、前記低抵抗部の外周に同心円状に配置され、断面が円環状とされていることを特徴とする。

請求項２記載のブラシでは、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子がその周方向へ回転する場合において、円環状の高抵抗部の外縁から接触（摺接）を開始し、その外縁に対向する外縁へ低抵抗部を通る直線方向へ接触しながら、その対向する外縁で接触を終了することができる。
また、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子が、その放射方向と直交する方向を軸方向として回転する場合においても、請求項２記載のブラシは、円環状の高抵抗部の外縁から接触を開始し、その外縁に対向する外縁へ低抵抗部を通る円弧方向へ接触しながら、その対向する外縁で接触を終了することができる。

このため、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子と、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子とのどちらの場合であっても、特定のセグメントに対し、接触開始に際して接触幅が徐々に増され、接触終了に際して接触幅が減じられる。
これにより、本ブラシでは、セグメントとの接触幅が一定である構成と比較して、特定のセグメントに対する接触（整流作用）の初期及び終期で接触面積が小さくなり、接触抵抗が大きくなる。

このため、本ブラシでは、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子と、セグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子とのどちらの場合であっても、安定した整流が果たされ、整流子との間で良好な整流作用を生じさせることができる。

請求項３記載の発明に係る回転電機は、請求項１又は請求項２記載のブラシと、前記低抵抗部に接続され、前記ブラシへ給電するための給電配線と、を備えたことを特徴とする。

請求項３記載の回転電機では、ブラシへ給電するための給電配線が、ブラシの低抵抗部に接続されているので、ブラシへの給電が向上する。

本発明の実施形態に係るブラシ１０、及び該ブラシ１０が適用された回転電機としてのモータについて、図面に基づいて説明する。

（モータの全体構成）
まず、本発明の実施形態に係るブラシ１０が適用されたモータ１１の概略全体構成について説明する。

図５（Ａ）には、モータ１１の概略全体構成が側断面図にて示されており、図５（Ｂ）には、図５（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線に沿った軸直角断面図が示されている。なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に適宜示す矢印Ｐは、後述のコンミテータ２８の周（回転）方向を示し、矢印Ａは後述のコンミテータ２８の軸線方向を示し、矢印Ｒは後述のコンミテータ２８の径方向を示すものとする。

これらの図に示される如く、モータ１１はヨーク１２を備えており、ヨーク１２は回転軸又は出力軸であるアーマチャシャフト１４を回転自在に軸支している。具体的には、アーマチャシャフト１４は、その一端部がヨーク１２の軸線方向一端部に設けられた軸受１６によって、その他端側がヨーク１２の軸線方向他端部に設けられた軸受１８によって、それぞれヨーク１２に対し回転自在に軸支されている。このアーマチャシャフト１４は、その他端部がヨーク１２の外側に突出している。

このヨーク１２内には、電機子としてのアーマチャ２０が収容されている。アーマチャ２０は、アーマチャシャフト１４に同軸的に固着されたコア（鉄心）２２に巻線（コイル）２４が巻き回されて構成されている。また、ヨーク１２の内周面には、それぞれアーマチャ２０の外周面に対向する一対のマグネット２６が固着されている。この実施形態では、図５（Ｂ）に示される如く２極１２スロットの構成が例示されている。

また、アーマチャ２０には、整流子としてのコンミテータ２８が設けられている。コンミテータ２８は、複数のセグメント３０が周方向に等間隔で配置されて全体として略円筒状又は環状に形成されており、アーマチャシャフト１４に同軸的に固着されている。周方向に隣り合うセグメント３０間には、絶縁部３１が配設されている。また、各セグメント３０は、アーマチャ２０の対応する巻線２４にそれぞれ電気的に接続されている（図示省略）。

また、ヨーク１２内には、一対のブラシ１０が該ヨーク１２に対して回転不能に配設されている。具体的には、各ブラシ１０は、図５（Ａ）に示される如く、コンミテータ２８の軸線に対し対称に配置されたブラシホルダ３２内にコンミテータ２８の外周面に対して接離可能に収容されると共に、スプリング３４にてコンミテータ２８側（径方向内向き）に付勢されている。これにより、各ブラシ１０は、コンミテータ２８の外周面（セグメント３０）に常時接触するようになっている。なお、図５（Ｂ）では、ブラシホルダ３２の図示を省略している。

また、各ブラシ１０には、ブラシ１０へ給電するための給電配線としてのピッグテール１５がそれぞれ接続されている（図１（Ａ）、図１（Ｃ）及び図２参照）。
これにより、モータ１１では、コンミテータ２８が軸心廻りに回転（ヨーク１２すなわちブラシ１０に対し相対回転）することで、該コンミテータ２８とブラシ１０とが摺接しつつ整流が行なわれ、アーマチャ２０に電機子電流が流れる構成とされている。なお、ピッグテール１５は、後述する低抵抗部３６でブラシ１０に接続されている。

以上説明したように、この実施の形態に係るモータ１１は、マグネット式の直流モータであり、複数のセグメント３０が周方向に等間隔で配置された略円筒状又は環状のコンミテータ２８を有している。この実施形態では、モータ１１は、正逆回転可能な構成とされている。

（ブラシの詳細構成）
次に、コンミテータ２８及びブラシ１０の詳細構成を説明する。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）には、ブラシ１０が平面図、正面図、側断面図にて示されており、図２には、ブラシ１０が斜視図にて示されている。また、図３には、ブラシ１０とコンミテータ２８との接触関係が模式的に示されており、図４（Ａ）〜図４（Ｂ）には、コンミテータ２８との摺接状態のブラシ１０が背面図（径方向外側から見た図又は断面図）にて示されている。なお、各図に適宜示す矢印Ｐは、モータ１１においてコンミテータ２８の周（回転）方向を、矢印Ａはモータ１１においてコンミテータ２８の軸線方向を、矢印Ｒはモータ１１においてコンミテータ２８の径方向を示すものとする（後述のモータ１３においては、これらの方向は変化する）。

これらの図に示される如く、ブラシ１０は、円柱状に形成された低抵抗部３６と低抵抗部３６の外周に同心円状に配置された円筒状の高抵抗部３５とを有しており、全体として円柱形状に形成されている。

低抵抗部３６は、高抵抗部３５に対し電気抵抗の低い材料（一般的なブラシ材料）で構成されており、高抵抗部３５に対し電気抵抗値が低くされている。本実施形態では、高抵抗部３５と低抵抗部３６で２層構造を形成し、高抵抗部３５と低抵抗部３６とは、互いに電気的に導通されている。

このブラシ１０は、矢印Ｒ方向の一端面がコンミテータ２８（を構成する各セグメント３０）との摺接側端面１０Ａとされている。
摺接側端面１０Ａは、矢印Ｒ方向視にて、低抵抗部３６が円形状とされ、高抵抗部３５が円環状とされ、全体として円形状を成している。すなわち、低抵抗部３６は、その断面が円形状とされ、高抵抗部３５は、その断面が円環状とされ、摺接側端面１０Ａの全体は、その断面が円形状とされている。

なお、本実施形態では、摺接側端面１０Ａが平面状に形成され、ブラシ１０の軸方向と直交する面をなすので、低抵抗部３６は、コンミテータ２８を構成する各セグメント３０に接触する接触端面が円形状とされ、高抵抗部３５は、コンミテータ２８を構成する各セグメント３０に接触する接触端面が円環状とされ、摺接側端面１０Ａは、コンミテータ２８を構成する各セグメント３０に接触する接触端面が円形状とされている。

また、本実施形態では、低抵抗部３６の断面が真円形状とされると共に、高抵抗部３５の断面が低抵抗部３６と同心円の円環状とされており、ブラシ１０中央部の低抵抗部３６の全周を囲むように、高抵抗部３５が配置される。

以上により、ブラシ１０は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示される如く、コンミテータ２８の特定のセグメント３０に対し、高抵抗部３５の外縁１０Ｂから接触を開始し、外縁１０Ｂに対向する外縁１０Ａへ低抵抗部３６の中心を通る直線方向Ｓへ接触しながら、高抵抗部３５の外縁１０Ｂで接触を終了する構成とされている。

また、図１（Ｂ）に示される如く、高抵抗部３５の幅Ｂ２は、低抵抗部３６の半径Ｂ１の１／３以下とされている。

さらに、図３に示される如くブラシ１０は、３つのセグメント３０に同時に接触しない（３つのセグメント３０に跨らない）ように、ブラシ１０の直径Ｄが設定されている。具体的には、矢印Ｒ方向におけるブラシ１０の長さをＬ、矢印Ｒ方向におけるセグメント３０の幅をＬｓとし、矢印Ｒ方向における各セグメント３０間の幅（絶縁部３１の幅）Ｌｉとした場合において、ブラシ１０の直径Ｄは、Ｄ＜Ｌｓ＋２×Ｌｉを満たすように設定されている。

なお、ブラシ１０は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示される如く、矢印Ａ方向視でコンミテータ２８（セグメント３０）の外周面に沿った円弧状に、摺接側端面１１０Ａを予め形成したブラシ１１０を用いても良い。ブラシ１１０では、摺接側端面１１０Ａが使用に伴い摩耗される前から、該摺接側端面１１０Ａを略全面に亘ってセグメント３０に接触させることができる構成とされる。

（セグメントが放射方向に複数配置された平面状のコンミテータを有するモータにブラシ１０を適用した例）
ここで、本実施形態に係るブラシ１０は、図７に示される如く、セグメント３３が放射方向に複数配置された平面状の整流子としてコンミテータ２９を有する回転電機としてのモータ１３に適用することが可能である。

なお、モータ１３は、モータ１１におけるコンミテータ２８、セグメント３０及び絶縁部３１の構成、ブラシ１０の配置位置を替えたものであり、基本構成はモータ１１と同様である。

コンミテータ２９は、図７に示される如く、扇状に形成されたセグメント３３が放射方向に等間隔で複数配置されおり、アーマチャシャフト１４に同軸的に固着されている。隣り合うセグメント３３間には、絶縁部３５が配設されている。
また、各セグメント３３は、アーマチャの対応する巻線にそれぞれ電気的に接続されている（図示省略）。

また、モータ１３のヨーク内には、一対のブラシ１０が該ヨークに対して回転不能に配設されている。具体的には、各ブラシ１０は、コンミテータ２９の円形状の平面に対して接離可能にされると共に、スプリング等によりコンミテータ２９側に付勢されている。これにより、各ブラシ１０は、コンミテータ２９の円形状の平面（セグメント３３）に常時接触するようになっている。

また、各ブラシ１０には、ブラシ１０へ給電するための給電配線としてのピッグテール１５がそれぞれ接続されている。このピッグテール１５は、低抵抗部３６でブラシ１０に接続されている。

この構成において、ブラシ１０は、コンミテータ２９の特定のセグメント３３に対し、高抵抗部３５の外縁１０Ｂから接触を開始し、外縁１０Ｂに対向する外縁１０Ａへ低抵抗部３６を通る円弧方向Ｅへ接触しながら、高抵抗部３５の外縁１０Ｂで接触を終了する構成とされている。

（本実施形態の作用）
次に、実施形態の作用を説明する。

上記構成のブラシ１０が適用されたモータ１１（複数のセグメント３０が周方向に等間隔で配置された略円筒状又は環状のコンミテータ２８を有するモータ）では、各ブラシ１０がコンミテータ２８との相対回転によって該コンミテータ２８を構成する各セグメント３０と摺接することで、整流が行なわれる。これにより、アーマチャ２０の巻線２４に流れる電機子電流の方向が適宜切り替えられ、該巻線２４及びマグネット２６の磁力によるアーマチャ２０すなわちアーマチャシャフト１４の回転が維持される。

ここで、本実施形態に係るモータ１１では、コンミテータ２８の回転に伴って、ブラシ１０のセグメント３０Ａへの接触（給電）状態から、該セグメント３０Ａに周方向に隣接するセグメント３０Ｂへの接触状態に移行することで、各巻線２４の電機子電流の方向がアーマチャ２０の回転（角位置）に依存することなく空間的に一定に維持される。以下、図４（Ａ）に示される如く、セグメント３０Ａに接触するブラシ１０がセグメント３０Ｂへ接触（整流）を開始してから、図４（Ｂ）に示される如くブラシ１０がセグメント３０Ａとの接触を終了するまでの区間を単位整流区間として、本実施形態の作用効果を説明する。

図８は、単位整流区間でのモータ回転角を横軸とし、ブラシ１０とセグメント３０Ａ及びセグメント３０Ｂとの接触抵抗を縦軸とした線図である。この図に比較例として太い実線及び細い破線にて示される如く、ブラシ１０と同じ最大接触面積でかつ矢印Ｐ方向の各部でセグメント３０との接触幅が一定である（矢印Ｐ方向の縁部がセグメント３０の縁部と平行である）ブラシでは、セグメント３０に対する接触初期及び終期で接触面積が大きいため、単位整流区間の初期及び終期での接触抵抗が十分に大きくなく、不足整流が生じる場合がある。この不足整流に伴う接触（整流）終了時の残留電流により、比較例ブラシとコンミテータとの接触面からの火花（火花放電）の発生が懸念され、このような火花の発生は、耐久性の悪化、磁気音や電磁ノイズの発生の原因となる。

これに対してブラシ１０が適用されたモータ１１では、円環状の高抵抗部３５の外縁１０Ｂからセグメント３０への接触が開始され、円環状の高抵抗部３５の外縁１０Ａでセグメント３０との接触が終了されるため、接触開始直後及び接触終了直前の各区間で接触面積の変化率が小さい。しかも、ブラシ１０では、単位整流区間の初期及び終期で主に高抵抗部３５がセグメント３０に接触するため、該単位整流区間の初期及び終期で接触抵抗がさらに大きくなる。

さらに、ブラシ１０では、整流開始の際には、摺接側端面１０Ａとセグメント３０との接触面積に占める高抵抗部３５の接触面積の比率が徐々に減り、整流終了の際には、摺接側端面１０Ａとセグメント３０との接触面積に占める高抵抗部３５の接触面積の比率が徐々に増す期間が生じる。これらにより、ブラシ１０では、図８に太い実線及び細い実線にて示される如く、単位整流区間の初期及び終期で接触抵抗が十分に大きくなる。

特に、ブラシ１０では、単位整流区間で常に高抵抗部３５がセグメント３０Ｂに接触した状態が維持される。このため、高抵抗部３５による抵抗整流が行なわれる時間が長く確保される。

一方、ブラシ１０が適用されたモータ１３（セグメント３３が放射方向に複数配置された平面状のコンミテータ２９を有するモータ）においても、セグメント３３Ａに接触するブラシ１０がセグメント３０Ｂへ接触（整流）を開始してからブラシ１０がセグメント３０Ａとの接触を終了するまでの区間を単位整流区間とすると、円環状の高抵抗部３５の外縁１０Ｂからセグメント３３への接触が開始され、円環状の高抵抗部３５の外縁１０Ａでセグメント３３との接触が終了されるため、接触開始直後及び接触終了直前の各区間で接触面積の変化率が小さい（図７参照）。しかも、ブラシ１０では、単位整流区間の初期及び終期で主に高抵抗部３５がセグメント３３に接触するため、該単位整流区間の初期及び終期で接触抵抗がさらに大きくなる。

さらに、ブラシ１０では、整流開始の際には、摺接側端面１０Ａとセグメント３３との接触面積に占める高抵抗部３５の接触面積の比率が徐々に減り、整流終了の際には、摺接側端面１０Ａとセグメント３３との接触面積に占める高抵抗部３５の接触面積の比率が徐々に増す期間が生じる。これらにより、ブラシ１０では、図８に太い実線及び細い実線にて示される如く、単位整流区間の初期及び終期で接触抵抗が十分に大きくなる。

特に、ブラシ１０では、単位整流区間で常に高抵抗部３５がセグメント３３Ｂに接触した状態が維持される。このため、高抵抗部３５による抵抗整流が行なわれる時間が長く確保される。

以上により、本実施形態に係るブラシ１０では、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子及びセグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子のどちらの場合であっても、図８に示される如く、良好（直線）整流の整流曲線（波形）が得られる。これにより、ブラシ１０が適用されたモータ１１では、火花の発生が効果的に防止又は抑制され、耐久性の向上、磁気音や電磁ノイズの防止が図られる。

そして、ブラシ１０では、良好整流が得られるので、摺接側端面１０Ａに占める低抵抗部３６の面積を相対的に増すことができる。これにより、ブラシ１０は、コンミテータ２８（を介してアーマチャ２０）に十分な電流を供給し得る低抵抗部３６の面積を確保することができる。

ブラシ１０では、整流開始、終了の際にセグメント３０に対する接触面積を減じると共に該接触部分を高抵抗部３５とすることで、十分な電流を供給し得る低抵抗部３６の面積を確保することができ、適正なトルク特性を得ることができる。

このように、本実施形態に係るブラシ１０では、セグメントが周方向に複数配置された円筒状の整流子及びセグメントが放射方向に複数配置された平面状の整流子のどちらの場合であっても、整流子との間で良好な整流作用を生じさせることができる。換言すれば、モータ１１及びモータ１３で、ブラシ１０を共通化することが可能となる。

また、本実施形態では、ブラシ１０へ給電するためのピッグテール１５が、ブラシ１０の低抵抗部３６に接続されているので、ブラシ１０への給電が向上する。

さらに、ブラシ１０は、断面が円形状の低抵抗部３６と、その外周に配置された断面が円環状の高抵抗部３５とで構成され、コンミテータ２８の回転方向である矢印Ｐ方向に対称に形成されているため、コンミテータ２８すなわちアーマチャ２０（アーマチャシャフト１４）の回転方向に依らず、上記の作用効果を奏する。

なお、本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、種々の変形、変更、改良が可能である。例えば、本発明においては、摺接側端面１０Ａの中央部に配置された低抵抗部３６の外周が、高抵抗部３５で囲まれていれば良く、低抵抗部３６及び高抵抗部３５は、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示される如く、任意の形状とすることができる。

図９（Ａ）に示す例では、低抵抗部３６は断面が楕円形状であると共に高抵抗部３５は断面が楕円状の円環状とされている。また、図９（Ｂ）に示す例では、低抵抗部３６は断面が円形状であると共に高抵抗部３５は外縁が四角形状とされた環状に形成されている。また、図９（Ｃ）に示す例では、低抵抗部３６は断面がひし形状であると共に高抵抗部３５がひし形の環状とされている。

本発明の実施形態に係るブラシを示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は図１（Ｂ）の１Ｃ−１Ｃ線に沿った側断面図である。 本発明の実施形態に係るブラシを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るブラシとコンミテータとの接触関係を平坦化して示す模式図である。 本発明の実施形態に係るブラシとコンミテータの接触状態を示す図であって、（Ａ）は特定のセグメントへの接触開始時点の模式図、（Ｂ）は特定のセグメントの下流にあるセグメントとの接触を終了する時点の模式図である。 本発明の実施形態に係るブラシが適用されたモータを示す図であって、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は、図５（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線に沿った軸直角断面図である。 本発明の実施形態に係るブラシ摺接側端面をコンミテータの外周面に沿った円弧状に形成した例を示す図であって、（Ａ）は、ブラシの平面図、（Ｂ）は、ブラシの斜視図である。 本発明の実施形態に係るブラシを、セグメントが放射方向に複数配置された平面状のコンミテータを有するモータに適用した例を示す図である。 本発明の実施形態に係るブラシとコンミテータとの接触抵抗の単位整流区間での変化を示す線図である。 本発明の実施形態に係るブラシの変形例を示す図である。

符号の説明

１０・・・ブラシ、１１・１３・・・モータ（回転電機）、１５・・・ピッグテール（給電配線）、２８・２９・・・コンミテータ（整流子）、３０・３３・・・セグメント、３５・・・高抵抗部、３６・・・低抵抗部、

Claims (3)

1. 整流子のセグメントに摺接される接触端面を有する低抵抗部と、
   前記整流子のセグメントに摺接される接触端面を有し、前記低抵抗部の外周を囲むと共に前記低抵抗部よりも電気抵抗値が高い高抵抗部と、
   を備えたことを特徴とするブラシ。
2. 前記低抵抗部は、断面が円形状とされ、
   前記高抵抗部は、前記低抵抗部の外周に同心円状に配置され、断面が円環状とされていることを特徴とする請求項１記載のブラシ。
3. 請求項１又は請求項２記載のブラシと、
   前記低抵抗部に接続され、前記ブラシへ給電するための給電配線と、
   を備えたことを特徴とする回転電機。

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